微生物与发酵食品

微生物与发酵食品

发酵食品是经过微生物或酶作用使加工原理发生理想的十分重要的生物化学变化及物理变化后制成的食品。特异性营养因子有提供小肠黏膜能源的谷氨酰胺，供结肠黏膜能源物质的短链脂肪酸，以及亚油酸、精氨酸等。发酵食品的微生物学不仅仅是发酵食品生产的生物学基础和生产实践原理的源泉，而且是微生物学重要的组成部分。

经发酵过程制造食品时所利用的。最常用的有酵母菌、菌霉以及细菌中的乳酸菌、醋酸菌、棒状杆菌等。

食品工业中常用的细菌

一、乳酸菌

⑴乳酸菌的概念及其分布

乳酸菌一词并非生物分类学名词，而是指能够利用发酵性糖类产生大量乳酸的一类微生物的统称。虽然有些霉菌也能产生大量乳酸，但以乳酸细菌为主要类群，因而通常将乳酸细菌之为乳酸菌。乳酸菌主要分布在：乳杆菌属 、链球菌属、明串珠菌属、片球菌属、双歧杆菌属。

⑵乳酸菌在食品工业中的应用

在发酵食品行业中应用最广泛的是乳酸菌。经过乳酸菌发酵作用制成的食品称为乳酸

发酵食品。随着科学研究的不断深入，逐步揭示了乳酸菌对人体健康有益作用的机理，因而，乳酸发酵食品更加受到人们的重视，在食品工业中占有越来越重要的地位。

1．发酵乳制品

①酸牛乳： 凝固型酸乳的生产；

搅拌型酸乳（纯酸奶）的生产；

饮料型酸乳（活性乳）的生产。

②干酪

③酸性奶油

2．果蔬汁乳酸菌发酵饮料

3．益生菌制剂

1．发酵乳制品的制作

■凝固型酸乳的生产

凝固型酸牛乳的生产是以新鲜牛乳为主要原料，经过净化、标准化、均质、杀菌、接

种发酵剂、分装后，通过乳酸菌的发酵作用，使乳糖分解为乳酸，导致乳的pH值下降，酪蛋白凝固，同时产生醇、醛、酮等风味物质，再经冷藏和后熟制成乳凝状的酸牛乳。

■搅拌型酸乳（纯酸奶）的生产

搅拌型酸奶即纯酸奶与凝固型酸奶生产工艺基本相似，所不同的是：前者为先发酵，再搅拌，后分装；后者为先分装，后发酵，不搅拌。

工艺流程：原料鲜乳→净化→标准化调制→均质→杀菌→冷却→接种发酵剂→发酵→搅拌破乳→冷却→分装→冷藏后熟→成品。

技术要点：

发酵：发酵在发酵罐中进行。42℃发酵3～5h，当发酵乳pH达4.5～5.0时，终止发酵。

搅拌破乳：发酵结束后，将品温降至38℃，进行搅拌。

■饮料型酸乳（活性乳）的生产

饮料型酸乳的生产是酸凝乳与适量无菌水、稳定剂和香精混和，再经均质处理、分装、冷却后制成的凝乳粒子直径0.01mm以下、液体状的酸牛乳。

工艺流程：原料鲜乳→净化→标准化调制→均质→杀菌→冷却→接种发酵剂→发酵→

混和（无菌水、稳定剂、香精）→均质→分装→冷却→成品→入库冷藏。

技术要点：

混和：为了制成均匀稳定的饮料型酸牛乳即活性乳，需在发酵后的凝乳中添加无菌水、稳定剂、香精等。一般加水量为凝乳的50%。稳定剂分为二大类：一类为人工合成型，如海藻酸丙二醇脂（PGA）和低甲氧基果胶（LM果胶）；另一类为天然型，如明胶、琼脂、海藻酸钠、果胶等。目前使用较多的是PGA和LM果胶，添加量前者为0.2%，后者为0.3%。添加方法一般是将稳定剂用水溶解，灭菌冷却后添加至凝乳中，搅拌均匀。

■酸性奶油的制作

酸制奶油是以合格的鲜乳为原料，离心分离出稀奶油（cream），经过标准化调制、杀菌、冷却后，添加发酵剂，通过乳酸菌的发酵作用，使乳糖转化为乳酸，柠檬酸转化为羟丁酮，羟丁酮进一步氧化为丁二酮，同时生成发酵中间产物甘油、脂肪酸等共同构成酸制奶油的特殊风味；

2．果蔬汁乳酸菌发酵饮料

乳酸菌发酵果蔬汁是一种新型饮料，它综合了乳酸菌和果蔬汁两方面的营养保健功能，而且产品的原料风味和发酵风味浑然一体，所以深受消费者喜爱。

下面以番茄汁乳酸菌发酵饮料的生产为例进行讨论。

① 工艺流程：番茄→清洗→热烫→榨汁→均质→调节pH→杀菌→冷却→接种发酵剂→发酵→加糖调配→包装→成品

② 技术要点：

番茄汁的制备：选择新鲜、红皮、成熟度一致的番茄为原料。清洗后在90～95℃热水中热烫3min，然后在榨汁机中榨汁。再经胶体磨均质5min，移至发酵罐，用Na2CO3调节pH至6.4。90～95℃杀菌20min，迅速冷却至40℃。

接种发酵剂：用于番茄汁乳酸菌发酵饮料生产的发酵剂系采用保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌以1:1比例制成的混和发酵剂。

发 酵：42℃发酵30h，pH值降至4.0～4.5，发酵结束。

3．益生菌制剂

益生菌，又称正常菌群或生理性菌群，系指与人或动物保持共生关系的一类有益微生物菌群，对宿主具有改善微生态平衡，提供营养，提高免疫力，促进健康等重要生理功能，常见的此类微生物有双歧杆菌、嗜酸乳杆菌等。

益生菌制剂是一类新型生物制剂，国外称益生素，国内则称微生态制剂。

就双歧杆菌制品来看，目前生产规模和产量逐年增加，品种已达70多种，产品形式分为液态型和固态型两种。

液态产品有：双歧杆菌发酵乳饮料、双歧杆菌口服液、双歧杆菌果蔬复合汁饮料；

固态产品有：双歧杆菌乳粉和干酪、双歧杆菌干制糖果和糕点、双歧杆菌粉剂和胶囊。

二、醋酸菌

醋酸菌不是细菌分类学名词。在细菌分类学主要分布于醋酸杆菌属和葡萄糖杆菌属，前者最适生长温度30℃以上，氧化酒精生成醋酸的能力强，有些能继续氧化醋酸生成CO2和H2O；后者最适生长温度30℃以下，氧化葡萄糖生成葡萄糖酸的能力强，而氧化酒精生成醋酸的能力弱，不能继续氧化醋酸生成CO2和H2O。用于酿醋的醋酸菌种大多属于醋酸杆菌属。下面主要讨论醋酸杆菌属:

■ 醋酸杆菌在食品工业中的应用

食醋酿造：（熟料固态酿醋……传统酿造法）

工艺流程：甘薯干或碎米、高粱→粉碎→添加麸皮、谷糠→润水浸渍→蒸煮→冷却过筛→接种麸曲、酒母→加水拌均→入缸→淀粉糖化、酒精发酵、倒醅→接种醋母→添加粗谷糠拌均→醋酸发酵、倒醅→加盐→后熟→淋醋→陈酿→澄清→配兑→煎醋（杀菌）→成品。

三、谷氨酸菌

①谷氨酸菌在细菌分类学中属于棒杆菌属、短杆菌属、小杆菌属和节杆菌属中的细菌。

目前我国谷氨酸发酵最常见的生产菌种是北京棒杆菌AS 1.299和钝齿棒杆菌AS 1.542。

②谷氨酸发酵及味精生产

1）L-谷氨酸单钠，俗称味精，具有肉类鲜味，是人们日常生活中普遍使用的调味料。我国于1963年开始采用谷氨酸发酵法生产味精。

2）技术要点。

① 原料的处理。淀粉质原料必须经过水解糖化后才能用于谷氨酸发酵,目前我国谷氨酸发酵大多采用酸解法进行淀粉糖化。

② 发酵培养基的制备。常用的氮源是尿素和氨水，碳氮比为100:25，比一般工业发酵培养基（C/N为100：0.5～2）的氮源用量大得多。

③ 谷氨酸发酵条件控制。前期为30～32℃，中后期为34～36℃。发酵前期pH控制在7.5左右，发酵后期通过流动尿素的方法控制pH在7.0～7.2。溶氧量主要由通风量和搅拌速度决定，通风量大小对谷氨酸发酵存在显著影响。发酵前期以低通风量为宜（溶氧系数Kd保持5×10-4摩尔氧/升·分·大气压）；发酵中后期以高通风量为宜。

④ 谷氨酸提取。提取谷氨酸的方法有：目前我国大多采用等电气法提取谷氨酸一般提取率可达80%以上。

⑤ 味精的制造。谷氨酸与纯碱作用生成谷酸酸单钠的过程称为谷氨酸的中和。加入

Na2CO3形成味精，即可制得味精粗品，进一步进行除铁、脱色和结晶处理，即可制备味精成品。

食品工业中酵母菌及其应用

一、啤酒酵母

①啤酒酵母属于典型的上面酵母，又称爱丁堡酵母。广泛应用于啤酒、白酒酿造和面包制作。

②啤酒酵母的生理生化特性：

化能异养型，能发酵葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、麦芽糖和麦芽三糖以及1/3的棉子糖，不发酵蜜二糖、乳糖和甘油醛，也不发酵淀粉、纤维素等多糖。不分解蛋白质，可同化氨基酸和氨态氮，不同化硝酸盐。需要B族维生素和P、S、Ca、Mg、K、Fe等无机元素。兼性厌氧，有氧条件下，将可发酵性糖类通过有氧呼吸作用彻底氧化为CO2和H2O，释放大量能量供细胞生长；无氧条件下，使可发性糖类通过发酵作用（EMP途径）生成酒精和CO2，释放较少能量供细胞生长。最适生长温度25℃，发酵最适温度10-25℃。最适发酵pH为4.5-6.5。真正发酵度达60%-65%。

二、葡萄酒酵母

①葡萄酒酵母属于啤酒酵母的椭圆变种，简称椭圆酵母。常用于葡萄酒和果酒的酿造。

②葡萄酒酵母的生理生化特点：

化能异养型，可发酵葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、麦芽糖、麦芽三糖以及1/3的棉子糖，不发酵蜜二糖、乳糖和甘油醛，也不发酵淀粉、纤维素等多糖。

不分解蛋白质，不还原硝酸盐，可同化氨基酸和氨态氮。需要B族维生素和P、S、Ca、Mg、K、Fe等无机元素。

兼性厌氧，有氧条件下，将可发性糖类通过有氧呼吸作用彻底氧化为CO2和H2O，释放大量能量供菌体繁殖；

无氧条件下，使可发酵性糖类通过发酵作用（EMP途径）生成酒精和CO2，释放较少能量供细胞繁殖。

最适生长温度25℃，葡萄酒发酵最适温度15-25℃。最适发酵pH为3.3-3.5。耐酸、耐乙醇、耐高渗、耐二氧化硫能力强于啤酒酵母。葡萄酒发酵后乙醇含量达16%以上。

三、卡尔酵母

①卡尔酵母属于典型的下面酵母，又称卡尔斯伯酵母或嘉士伯酵母。常用于啤酒酿造、药物提取以及维生素测定的菌种。

②卡尔酵母的生理生化特点：

化能异养型，能发酵葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖、麦芽糖、蜜二糖、麦芽三糖和甘油醛以及全部的棉子糖，不发酵乳糖以及淀粉、纤维素等多糖。

不分解蛋白质，不还原硝酸盐，可同化氨基酸和氨态氮。需要B族维生素以及P、S、Ca、Mg、K、Fe等无机离子。

兼性厌氧，有氧条件下，将可发性糖类通过有氧呼吸作用彻底氧化为CO2和H2O，释放大量能量供菌体繁殖；无氧条件下，使可发酵性糖类通过发酵作用（EMP途径）生成酒精和CO2，释放较少能量供细胞繁殖。

最适生长温度25℃，啤酒发酵最适温度5-10℃。最适发酵pH为4.5-6.5，真正发酵度为55%-60%。

四、产蛋白假丝酵母

①产蛋白假丝酵母，又称产朊假丝酵母或食用圆酵母，富含蛋白质和维生素B，常作为生产食用或饲用单细胞蛋白（SCP）以及维生素B的菌株。

②产蛋白假丝酵母的生理生化特点：

化能异养型，能发酵葡萄糖、蔗糖和1/3的棉子糖，不发酵半乳糖、麦芽糖、乳糖、蜜二糖。能同化尿素、铵盐和硝酸盐，不分解蛋白质和脂肪。

兼性厌氧，有氧条件下，进行有氧呼吸；无氧条件下，进行酒精发酵。

最适生长温度25℃，最适生长pH为4.5～6.5。

在发酵工业中，常采用富含半纤维的纸浆废液、稻草、稻壳、玉米芯、木屑、啤酒废渣等水解液和糖蜜为主要原料，培养产蛋白假丝酵母，生产食用或饲用单细胞蛋白和维生素B。

五、酵母菌在食品工业中的应用

（一）啤酒酿造

（二）果酒酿造

（三）白酒酿造

（四）面包加工

（一）啤酒酿造

啤酒酿造是以大麦、水为主要原料，以大米或其它未发芽的谷物、酒花为辅助原料；大麦经过发芽产生多种水解酶类制成麦芽；借助麦芽本身多种水解酶类将淀粉和蛋白质等大分子物质分解为可溶性糖类、糊精以及氨基酸、肽、胨等低分子物质制成麦芽汁；麦芽汁通过酵母菌的发酵作用生成酒精和CO2以及多种营养和风味物质；最后经过过滤、包装、杀菌等工艺制成CO2含量丰富、酒精含量仅3%～4%、富含多种营养成份、酒花芳香、苦味爽口的饮料酒即成品啤酒。

啤酒的种类，根据酵母品种可分为上面发酵啤酒和下面发酵啤酒；根据颜色可分为淡色啤酒和浓色啤酒；根据生产方式可分为鲜啤酒、纯鲜啤酒和熟啤酒.

（二）果酒酿造

果酒酿造是以多种水果如葡萄、苹果、梨、桔子、山楂、杨梅、猕猴桃等为原料，经过破碎、压榨，制取果汁；果汁通过酵母菌的发酵作用形成原酒；原酒再经陈酿、过滤、调配、包装等工艺制成酒精含量8.5%以上、含多种营养成分的饮料酒称为果酒。在各种果酒中葡萄酒是主要品种，其产量居世界第二位饮料酒种。

（三）白酒酿造

酒曲的主要种类

（1）大曲: 大曲是固态发酵法酿造大曲白酒的糖化发酵剂。它以小麦或大麦、豌豆为曲料，经过粉碎、加水拌料、踩曲制坯、堆积培养，依靠自然界带入的各种酿酒微生物（包括细菌、霉菌和酵母菌）在其中生长繁殖制成成曲，再经贮存后制成陈曲。大曲有高温曲（制曲温度60℃以上）和中温曲（制曲温度不超过50℃）两种类型。目前国内绝大多数著名的大曲白酒均采用高温曲生产，如茅台、泸州、西风、五粮液等。

（2）麸曲: 麸曲是固态发酵法酿造麸曲白酒的糖化剂。它以麸皮为主要曲料，以新鲜酒糟为配料，经过润水、蒸煮、冷却后，接种黑曲霉和黄曲霉混和（混和比例为7：3），再经通风培养制成成曲。

（四）面包加工

面包是一种营养丰富、组织膨松、易于消化的方便食品。它以面粉、糖、水为主要原料，利用面粉中淀粉酶水解淀粉生成的糖类物质，经过酵母菌的发酵作用产生醇、醛、酸类物质和CO2；在高温焙烤过程中，CO2受热膨胀使面包成为多孔的海绵结构和松软的质地。

面包的种类很多，主要分为主食面包和点心面包。点心面包又根据配料不同，分为果子面包、鸡蛋面包、牛奶面包、蛋黄面包和维生素面包等。

食品工业中霉菌及其应用

一、毛霉属

按安斯沃思的分类系统，毛霉属属于接合菌亚门，接合菌纲，毛霉目，毛霉科。该菌有很强的分解蛋白质和糖化淀粉的能力，因此，常被用于酿造、发酵食品等工业。

二、根霉属

根霉与毛霉类似，能产生大量的淀粉酶，故用作酿酒、制醋业的糖化菌。有些种根霉还用于甾体激素、延胡索酸和酶剂制生产。

三、曲霉属

曲霉广泛分布于土壤、空气、谷物和各类有机物品中，在湿热相宜条件下，引起皮革、布匹和工业品发霉及食品霉变。同时，曲霉亦是发酵工业和食品加工方面应用的重要菌种，如黑曲霉是化工生产中应用最广的菌种之一，用于柠檬酸、葡萄糖酸、淀粉酶和酒类的生产。米曲霉具有较强的淀粉酶和蛋白酶活力，是酱油、面酱发酵的主发酵菌。

四、青霉属

该属在自然界中广泛分布。一般在较潮湿冷凉的基质上易分离到它。许多是常见的有害菌，破坏皮革、布匹以及引起谷物、水果、食品等变质。不仅导致食品和原材料的霉腐变质，而且有些种，可产生毒素，引起人、畜中毒；也有些青霉菌是重要的工业菌株。在医药、发酵、食品工业上被广泛应用来生抗生素和多种有机酸如生产柠檬酸、葡萄糖酸、纤维素酶和常用的抗生素──青霉素。

五、霉菌在食品工业中的应用

（一） 酱油酿造

（二）酱类酿造

（三）腐乳发酵

（四）柠檬酸发酵

（一） 酱油酿造

⒈酱油是人们常用的一种食品调味料，营养丰富，味道鲜美，在我国已有两千多年的历史。它是用蛋白质原料（如豆饼、豆粕等）和淀粉质原料（如麸皮、面粉、小麦等），利用曲霉及其它微生物的共同发酵作用酿制而成的。

⒉生产工艺流程 酱油生产分种曲、制曲、发酵、浸出提油、成品配制几个阶段。

(1) 种曲制造工艺流程。麸皮、面粉→加水混合→蒸料→冷却→接种→装匾→曲室培养→种曲。

(2) 成曲制造工艺流程。原料→粉碎→润水→蒸料→冷却→接种→通风培养→成曲。

(3) 发酵。在酱油发酵过程中，根据醪醅的状态，有稀醪发酵、固态发酵及固稀发酵之分；根据加盐量的多少，又分有盐发酵、低盐发酵和无盐发酵三种；根据加温状况不同，又可分为日晒夜露与保温速酿两类。目前酿造厂中用得最多的固态低盐发酵工艺流程为： 成曲→打碎→加盐水拌合（12~13°Beˊ的盐水，含水量50％~55％）→保温发酵（50~55℃，4~6d）→成熟酱醅。

(二) 酱类的酿制

酱类包括大豆酱、蚕豆酱、面酱、豆瓣酱及其加工制品，它营养丰富，易于消化吸收，具特有的色、香、味，是一种受欢迎的大众化调味品。我国远在周朝时就开始利用自然界的霉菌制作豆酱，以后传到日本及东南亚。

2 生产工艺

酱的种类较多，酿造工艺各有特色，所用调味料也各不相同。

以下是面酱的制作工艺。面酱采用标准面粉酿制，也可在面粉中掺25%~50%的新鲜豆腐渣。面酱制造可分为制曲和制酱两部分。

面曲制造工艺：

面粉+水→捏合→蒸料→补水→冷却→接种→装匾入室→倒匾→翻曲→倒匾→出曲。

制酱工艺流程：

成曲→堆积生温→拌水→入缸→酱醅保温发酵→加盐→磨细→面酱。

（三）腐乳发酵

腐乳是用豆腐胚、食盐、黄酒、红曲、面曲、砂糖、花椒、玫瑰、辣椒、等香辛料制成。

1．生产菌 目前采用人工纯种培养，大大缩短了生产周期，不易污染，常年都可生产。现在用于腐乳生产的菌种主要是用霉菌生产如：腐乳毛霉、鲁氏毛霉、总状毛霉、华根霉等，但克东腐乳是利用微球菌，武汉腐乳是用枯草杆菌进行酿造的。

2．工艺流程

大豆－→洗净－→浸泡－→磨浆－→过滤－→点浆－→压榨－→豆

接种培养3d 加敷料

腐→切胚 －－-------→毛胚 －－---→腌胚→装坛→后发酵（3~6月）→成品。

（四）、柠檬酸发酵

⒈ 柠檬酸的分子式为C6H8O7。在于果实中含有一定的柠檬酸，其中以柑桔、菠萝、柠檬、无花果等含量较高，另外，在棉叶、烟叶内也有较高的含量。我国1968年用薯干为原料采用深层发酵法生产柠檬酸成功，至70年代中期，柠檬酸工业已初步形成了生产体系。柠檬酸的产量也有很低提高，70年代发酵液浓度达到12％、 80年代提高到14% 、目前提高到16%

⒉ 柠檬酸主要用于食品工业，作酸味料，常用在饮料、果汁、果酱、水果糖等食品中，也有用作油脂抗氧化剂。

3．生产工艺 柠檬酸发酵可为分固体发酵和液体发酵两大类。

液体法又分浅盘发酵法和液体深层发酵法。

目前世界各国多采用液体深层发酵法进行生产。

柠檬酸生产的全部过程包括：试管斜面菌种培养、种子扩大培养、发酵和提炼四个阶

段。其一般工艺流程如下：

(薯干粉原料深层发酵工艺流程)

斜面菌种→麸曲瓶→种子

↓

薯干粉→调浆→灭菌（间歇）→冷却→发酵→发酵液→提取→成品。

↑

通无菌空气

发酵食品的好处

（1）对大脑：甜面酱、豆瓣酱、酱油及甜米酒等食品当中富含缩氨酸等成分，它可以防止记忆力减退。

（2）对血管：发酵的大豆含有丰富的抗血栓成分，它可以有效地溶解血液中的血栓等物，起到预防动脉硬化、降低血压之效力。另外，醋的主要成分是多种氨基酸及矿物质，它们亦能达到降低血压、血糖及胆固醇之效果。

（3）对心脏：豆类及酸牛奶能有效地控制血压和血中胆固醇数值的“上扬”，防止动

脉发生硬化，减少心脏发生心肌梗死的现象，以保护机体的血液循环。

（4）对免疫：酸牛奶、奶酪及黄酒含有乳酸菌等成分，它可以刺激免疫系统，提高NK细胞（自然杀伤细胞，它可识别破损细胞及癌细胞，并将它们杀死、清除掉）和淋巴细胞的机能及活性，增强机体的抵抗力。

（5）对肠：利用乳酸菌来发酵的食品，其任何一种东西均有调整肠腔内菌群的平衡，增加肠蠕动，使大便保持通畅，预防大肠癌等的发生。

（6）对骨骼：豆类物发酵之后，能参与维生素K合成，而它又是让钙离子吸附于骨表面的必需成分，这样可使骨骼强壮，防止骨质疏松症的发生。